山區(qū)高速公路TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究

關(guān)希鳴

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，長沙 410126）

山區(qū)高速公路TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究

關(guān)希鳴

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，長沙 410126）

本文針對山區(qū)環(huán)境下的高速公路特點，通過分析TD-SCDMA無線信號傳播特性及路徑損耗，提出了一套具有實用性、有效性的覆蓋解決方案。

山區(qū)高速；覆蓋；切換；TD-SCDMA

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，我國在山區(qū)修建的高速公路越來越多。山區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜多變，其高速公路構(gòu)造物較多，橋梁隧道占全線比例較大，部分橋隧比例甚至高達(dá)70%～80%。同時，由于山區(qū)地形高低起伏，部分區(qū)域高速公路傍山而建，彎道眾多，基站建設(shè)難度大，因此此類區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)信號的有效覆蓋一直是個難題。

1 山區(qū)環(huán)境高速覆蓋需考慮的因素

1.1 隨機(jī)衰落及多普勒頻移對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

無線通信靠的是無線電波的傳播，由于山區(qū)山高林密，地形起伏，有高山阻擋，因此傳播環(huán)境比較復(fù)雜。在傳播時既有直射波，也有反射波、折射波、散射波和繞射波等，將引起較大的傳輸損耗以及隨機(jī)衰落。山區(qū)的高速公路由于道路走向蜿蜒曲折，位于山體背后的路段易出現(xiàn)陰影衰落區(qū)域。而隧道區(qū)域的高速公路，由于其本身的地理特性，山腳附近以及隧道中因遮擋，易產(chǎn)生快衰落掉話問題。

另外，由于移動用戶與基站之間存在相對運動， 每個多徑波都會有一個明顯的頻率移動，即多普勒頻移。多普勒頻移的大小和正負(fù)由用戶的運動速度以及運動方向與電波方向之間的空間角度所決定。其計算公式：

式中：θ為移動臺移動方向和入射波的夾角；v是移動臺運動速度；c為電磁波傳播速度；f為載波頻率。

若fo是基站發(fā)射頻率，fd為多普勒頻移，在未加頻偏校正的情況下，基站接收頻率和發(fā)送頻率之間則有2倍fd頻偏，即接收頻率f=fo±2×fd。

多普勒頻移體現(xiàn)在時域上又稱為時間選擇性衰落，可以用信道的相干時間來表示。表1為典型情況下的最大多普勒頻移及信道相干時間。

表1 典型情況下的最大多普勒頻移及信道相干時間（即假設(shè)θ=0）

可見，當(dāng)工作頻率為2 010 MHz，用戶移動速度為120 km/h時，可產(chǎn)生223 Hz的多普勒頻移，其相干時間為4.5 ms。其將影響到智能天線的波束成形及接收機(jī)的解調(diào)性能。

1.2 移動速率的提升對智能天線成形的影響

TD-SCDMA智能天線是根據(jù)接收信號來對上下行波束進(jìn)行成形，故當(dāng)UE在高速移動時可能會對智能天線帶來影響。

圖1 智能天線賦形示意圖

如圖1所示，考慮智能天線的成形角為15°，距離高速公路50 m，則UE在長為13 m左右的范圍內(nèi)都位于成形區(qū)內(nèi)。一般而言TD-SCDMA在一個5 ms幀內(nèi)成形一次，但考慮基站處理時延等因素可能會在10 ms內(nèi)成形一次。以國內(nèi)高速公路最高限速120 km/h的情況下，UE每秒運行33.3 m，10 ms成形時間內(nèi) UE移動0.33 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成形區(qū)范圍。因此從智能天線的10 ms成形能力而言，能滿足終端移動速度。

1.3 快速移動及多隧道環(huán)境所帶來的切換問題

在移動通信系統(tǒng)中，切換過程是通話連續(xù)性的保障。當(dāng)移動臺速度提高后，終端穿越切換區(qū)的時間將越短。若穿越時間小于系統(tǒng)處理切換的最小時延，則切換流程將無法完成，而導(dǎo)致掉話。同理，小區(qū)重選過程亦會受其影響而無法完成?？梢?，移動速率提高對網(wǎng)絡(luò)切換、重選的影響主要表現(xiàn)為切換區(qū)或重選區(qū)大小是否能滿足流程所需的最短時間，如不滿足則需要調(diào)整基站布局。

另外，山區(qū)環(huán)境下的高速公路，隧道比例較大。若移動臺始終保持與外部宏站通信，則宏站信號在進(jìn)入隧道后，其場強(qiáng)將迅速衰減，直至全無，從而導(dǎo)致掉話產(chǎn)生，影響用戶感知。因此，做好隧道內(nèi)外信號切換，也是確保通信連續(xù)必不可少的環(huán)節(jié)。

2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力分析

2.1 傳播模型的選取

標(biāo)準(zhǔn)傳播模型(SPM) 以COST231-Hata經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，具有豐富的地形要素及修正因子參考值，比較適合地形復(fù)雜的山區(qū)區(qū)域3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。其計算公式：

PL=K1+K2 lg(d)+K3 lg(Heff)+K4 Diffraction+ K5 lg(d)×lg(Heff)+K6(Hmeff)+Kclutter×f(clutter)

式中各系數(shù)及模型參數(shù)的定義如下。

K1：頻率因子；K2：距離衰減因子；K3：基站發(fā)射天線有效高度因子；K4：衍射計算因子；K5：發(fā)射天線有效高度和傳播距離因子；K6：移動臺接收天線有效高度因子；Kclutter：地貌因子；d：發(fā)射點到接收點的直線距離（m）；Heff：基站天線有效高度（m）；Diffraction：衍射損耗（dB）；Hmeff：移動臺天線有效高度（m）。

由于基站頻率、天線高度、終端高度等參數(shù)基本固定，因此模型中各參數(shù)對應(yīng)的K1～K5取值對模型的準(zhǔn)確性影響較小，僅需稍作調(diào)整或保持默認(rèn)值不變。而Kclutter是地形地貌因子，故山區(qū)環(huán)境傳播模型校正主要對Kclutter的確認(rèn)和修正。

2.2 鏈路預(yù)算

結(jié)合傳播模型修正結(jié)果，配合基站設(shè)備相關(guān)工程參數(shù)，通過表2鏈路預(yù)算表可以預(yù)估出基站的覆蓋半徑。根據(jù)基站的覆蓋能力，結(jié)合所規(guī)劃的高速里程，從而可以初步推斷出滿足覆蓋要求所需的基站規(guī)模。

從鏈路預(yù)算表可以看出，TD-SCDMA系統(tǒng)屬于上行受限系統(tǒng)，小區(qū)覆蓋范圍取決于上行業(yè)務(wù)覆蓋半徑，若以話音AMR 12.2 kbit/s業(yè)務(wù)要求，其覆蓋半徑為2.2 km左右，以CS 64 kbit/s業(yè)務(wù)要求，其覆蓋半徑為1.6 km左右。

表2 TD-SCDMA上、下行業(yè)務(wù)信道鏈路預(yù)算表

2.3 切換帶的設(shè)置

整個切換過程包括測量和執(zhí)行兩部分，對應(yīng)于相應(yīng)的時延或距離。如圖2所示，測量對應(yīng)的距離是D1（達(dá)到切換門限的遲滯時間Hysteresis對應(yīng)的距離）、D2（切換觸發(fā)時間Time To Trigger對應(yīng)的距離）。執(zhí)行時延對應(yīng)的距離為D3。因此切換區(qū)域等于測量處理時延和切換執(zhí)行時延所產(chǎn)生的距離之和，且需要考慮切換時的雙邊區(qū)域。即：

切換區(qū)域Dho=2×(場強(qiáng)過渡區(qū)+測量時延+切換時長)=2×(D1+D2+D3)=2×(D1+V×Thyst+V× Ttrigger)=2×D1+2×V×(Thyst+Ttrigger)

圖2 TD-SCDMA切換過程示意圖

結(jié)合傳播模型及鏈路預(yù)算所測算的覆蓋半徑，若扇區(qū)間過渡區(qū)包括2 dB場強(qiáng)過渡時延，TD-SCDMA系統(tǒng)的測量上報時延為320ms，切換時延為800 ms，則在各典型移動速度下，切換區(qū)域大小設(shè)置如表3所示。

表3 典型移動速度下TD-SCDMA切換區(qū)域設(shè)置表

因此根據(jù)前文鏈路預(yù)算結(jié)果，考慮終端速度120 km/h，切換區(qū)域為367 m，取各業(yè)務(wù)覆蓋半徑最小者1.6 km，則站間距可控制在2.8 km以內(nèi)。

3 山區(qū)高速覆蓋解決方案

3.1 頻偏校正

為了對抗多普勒頻率偏移，基站接收機(jī)必須進(jìn)行頻率糾偏。在多普勒頻率擴(kuò)散不嚴(yán)重的情況下，頻率糾偏可以獲得很大的性能提高。

基站側(cè)：優(yōu)化改進(jìn)接收機(jī)算法，通過在檢測算法中加入相位校準(zhǔn)和多普勒頻移估計功能，可以很好地實現(xiàn)對信道變化的捕獲和跟蹤。只要在算法中予以補(bǔ)償，就可以有效地消除多普勒頻移帶來的影響。

終端側(cè)：與基站比較，其多普勒頻移較小，而且終端本身具備頻偏矯正和自動頻偏控制功能，因此即使存在大頻偏時，終端仍能正常解調(diào)，不影響接收性能。但終端需要解決因相對于基站移動方向的改變而帶來的頻偏跳變的問題，要求終端自動頻偏控制能力應(yīng)保證在一定時間內(nèi)將頻偏控制到允許范圍內(nèi)。

3.2 基站布局及覆蓋方案

3.2.1 山體外高速路段覆蓋方案

鑒于高速公路的帶狀分布，建議基站設(shè)備采用BBU+RRU方式呈鏈狀覆蓋，并采用多級級聯(lián)方式組網(wǎng)，以節(jié)省光纖資源。同時，根據(jù)前文的分析，基站站間距建議為2.8 km以內(nèi)。

考慮到山區(qū)環(huán)境的特性，處于開闊區(qū)域的高速路段其基站布局應(yīng)盡量考慮道路兩側(cè)交叉分布，以避免因地形或樹木遮擋而帶來的信號損失。對于傍山修建的高速公路或路線中高架路段，為減小基站建設(shè)難度，或避免信號覆蓋“塔下黑”現(xiàn)象，可考慮高速對面區(qū)域單側(cè)基站布局，并確保視距范圍內(nèi)的有效覆蓋。而彎道區(qū)域的高速路段，基站建議規(guī)劃于彎道凸出一側(cè)，這樣可以方便地使扇區(qū)的方位角沿著道路的方向覆蓋。

站點與高速公路的距離，對網(wǎng)絡(luò)的性能也存在較大影響。太近會產(chǎn)生塔下黑問題，且由于道路方向與無線信號傳播路徑之間的夾角過小，多普勒頻移將越大，容易出現(xiàn)小區(qū)重選失敗、切換掉話等網(wǎng)絡(luò)問題。同時，由于夾角過小，電波經(jīng)過障礙物的損耗也較大。但也不能離得太遠(yuǎn)，太遠(yuǎn)會造成單個基站覆蓋高速公路的縱深距離下降，同樣長度的高速場景需要更多基站來覆蓋。

綜合上述因素，基站站高為 30～40 m的高速場景，建議站點與高速公路間的距離建議控制在200 m以內(nèi)。

3.2.2 山體內(nèi)隧道路段覆蓋方案

對于隧道的無線信號覆蓋，主要包括外部覆蓋及內(nèi)部覆蓋兩種方式。在實際建設(shè)過程中需要根據(jù)隧道的長度及周邊的地物情況采用合適的覆蓋方式，往往高速公路全程隧道覆蓋是兩種方式結(jié)合使用的。

（1） 對于較長的隧道或隧道群建議采用內(nèi)部覆蓋方式。內(nèi)部覆蓋即在隧道內(nèi)部通過建設(shè)分布系統(tǒng)，合理布置信號源，達(dá)到隧道內(nèi)部信號連續(xù)的方式。對于高速公路隧道，由于內(nèi)部空間比較寬敞，因此優(yōu)先建議于隧道內(nèi)壁相隔適當(dāng)距離通過架設(shè)定向面板天線實現(xiàn)雙向覆蓋。對于彎曲度不大的隧道，由于無線信號在內(nèi)部具有波導(dǎo)效應(yīng)，因此基本可參考筆直型隧道布放天線點位。而彎曲度較大的隧道，則建議于彎曲弧頂處單獨布放天線以保證信號連續(xù)。其次，內(nèi)部天線位置需考慮較長的隧道內(nèi)不同微小區(qū)之間的切換，合理規(guī)劃重疊覆蓋區(qū)域，確保切換成功率。同時，隧道口需安裝向外覆蓋的天線，保證隧道內(nèi)信號在隧道口有足夠的強(qiáng)度，與隧道外宏站形成良好的切換。根據(jù)實際測試，建議確保100 m左右的切換區(qū)域。

（2） 對于較短的獨立隧道建議采用外部覆蓋方式。外部覆蓋即結(jié)合隧道走向及周圍基站分布情況，利用外部宏站信號解決隧道內(nèi)覆蓋問題。對于短程隧道，在滿足覆蓋條件的情況下，優(yōu)先通過外部宏站采用直射方式給予覆蓋，并確保信號入射角盡可能小，以達(dá)到良好的覆蓋效果。而對于無法形成有效覆蓋的情況下，可考慮在隧道口區(qū)域新建簡易塔桅及RRU信號源，并通過采用高增益、窄波瓣天線解決隧道內(nèi)部覆蓋問題?？紤]到建設(shè)成本及后期維護(hù)，站點建設(shè)位置可以設(shè)置在高速隔離帶外。

3.3 組網(wǎng)方式及天線選取

由于高速公路在山區(qū)范圍內(nèi)所途經(jīng)的環(huán)境大部分為話務(wù)較低、人口較少的區(qū)域，因此在做全程規(guī)劃時，相應(yīng)的設(shè)備組網(wǎng)需根據(jù)話務(wù)分布情況采取相應(yīng)方式給予覆蓋。目前TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式主要有如下幾種。

方式1：常規(guī)組網(wǎng)模式（八通道RRU+八通道智能天線進(jìn)行組網(wǎng)），如圖3所示。

圖3 常規(guī)組網(wǎng)模式示意圖

此組網(wǎng)方式適用于話務(wù)較集中、業(yè)務(wù)較好的區(qū)域，例如高速公路途經(jīng)的城區(qū)、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)或大型村莊等區(qū)域。采用每個扇區(qū)配置1個八通道RRU，并分別對應(yīng)1副八通道智能天線，BBU每個光口接1個RRU，3個光口均使用，組成1個物理站點。

優(yōu)點：覆蓋距離較遠(yuǎn)，容量較大，后期設(shè)備升級方便，滿足人口集中區(qū)域的業(yè)務(wù)需求。

缺點：所需硬件資源較多，投資成本較高。

方式2：八通道RRU級聯(lián)組網(wǎng)模式（八通道RRU分裂+雙通道天線組網(wǎng)），如圖4所示。

圖4 八通道RRU級聯(lián)組網(wǎng)模式示意圖

此組網(wǎng)方式主要解決具備一定用戶基礎(chǔ)，總體話務(wù)適中的區(qū)域，例如高速公路途經(jīng)的中小型村莊、高速服務(wù)區(qū)等。采用八通道RRU分裂+雙通道天線方式，并可再級聯(lián)一級八通道RRU形成連片覆蓋。即1個八通道RRU可接3副雙通道天線，每RRU可作為1個物理站點使用。

優(yōu)點：有效降低投資成本，提高載頻資源利用率，具備后期設(shè)備升級能力。

缺點：較方式1覆蓋能力有所降低，單RRU方式所能提供的容量有限。

方式3：雙通道RRU級聯(lián)組網(wǎng)模式（雙通道RRU+雙通道定向天線組網(wǎng)），如圖5所示。

圖5 雙通道RRU級聯(lián)組網(wǎng)模式示意圖

對于高速沿線用戶規(guī)模較小的零散村莊或高速公路隧道分布系統(tǒng)等區(qū)域，建議采用第3種方式。即通過雙通道RRU配合雙通道定向天線進(jìn)行級聯(lián)組網(wǎng)，并采用小區(qū)合并方式，有效提升載頻資源利用率。

優(yōu)點：投資成本較低，能夠有效整合區(qū)域內(nèi)零散話務(wù)，提高資源利用率。

缺點：覆蓋距離以上3種方式中距離最短，容量較小，后期設(shè)備升級困難。

山區(qū)高速公路TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)應(yīng)優(yōu)先選擇八通道RRU級聯(lián)組網(wǎng)模式，雙通道RRU級聯(lián)組網(wǎng)模式作為補(bǔ)充。在上述組網(wǎng)模式覆蓋無法滿足業(yè)務(wù)需求的場景區(qū)域，采用常規(guī)組網(wǎng)模式。

3.4 小區(qū)合并技術(shù)的應(yīng)用

小區(qū)合并技術(shù)是一種把原本幾個小區(qū)合并成被稱作一種叫“超級小區(qū)”的技術(shù)，可以將小區(qū)間的切換變?yōu)樾^(qū)內(nèi)各通道之間的切換。如圖6所示，前文方案2、3組網(wǎng)方式引入小區(qū)合并技術(shù)后，可以減少原設(shè)置多個小區(qū)所需的控制信道總數(shù)，能提供更多的業(yè)務(wù)信道數(shù)，提升碼資源利用率。同時，在被合并的小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，可獲得上下行分集增益。上行約有增益3～4 dB，下行約1～2 dB。而在同系統(tǒng)間切換時，可有效減少小區(qū)間切換的次數(shù)，提高切換成功率、降低掉話率等影響用戶感知的重要指標(biāo)。

圖6 小區(qū)合并示意圖

4 結(jié)束語

由于山區(qū)地形跌宕起伏，區(qū)域范圍內(nèi)人口分布不集中，因此往往在實際規(guī)劃中覆蓋的意義更大于容量的考慮。為實現(xiàn)其間高速公路的良好覆蓋，所需的站址資源較多，而其產(chǎn)生的話務(wù)量不高，故帶來的總體投資效益不明顯。本文通過分析山區(qū)環(huán)境下傳輸路徑損耗，并結(jié)合終端高速移動所帶來的多普勒頻移及切換等因素，提出了相應(yīng)解決方案。同時，根據(jù)不同的場景，從網(wǎng)絡(luò)投資成本及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量雙方面，給出了相應(yīng)組網(wǎng)方案，為實際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了借鑒和參考。

Research of TD-SCDMA network highway coverage planning in mountainous area

GUAN Xi-ming
(Hunan Planning and Designing Institute of Post and Telecommunication Co., Ltd., Changsha 410126, China)

According to the characteristics of highway in mountainous environment, through the analysis of TDSCDMA wireless signal propagation characteristics and the path loss, proposed a set of practical, effective coverage solutions.

highway in mountainous area; coverage; handover; TD-SCDMA

TN929.5

A

1008-5599（2014）02-0069-06

2014-01-01